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IF48.5!校史首篇!东北农业大学“冷冻电镜+分子模拟”斩获《Nature》! 揭秘胆汁酸转运蛋白OSTα/β

  • 2026-10-11 06:50:43
IF48.5!校史首篇!东北农业大学“冷冻电镜+分子模拟”斩获《Nature》! 揭秘胆汁酸转运蛋白OSTα/β
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引言

📚胆汁酸代谢异常会直接引发肝病、肠病,而负责排出胆汁酸的“清道夫”蛋白OSTα/OSTβ,它到底长什么样?又是如何完成工作的?这些关键问题一直悬而未决。

🔬近日,东北农业大学首次以通讯作者单位在顶级期刊《Nature》发表研究成果,他们利用冷冻电镜技术,成功揭开了人源OSTα/OSTβ的高清结构,并首次揭示了其“二聚体-异二聚体”的组装方式和独特的底物“翻转”转运机制。

文献解读

文章题目:人类胆汁酸转运蛋白OSTα-OSTβ的结构与作用机制

发表期刊:Nature

发表时间:2026年1月28日

影响因子:IF=48.5/Q1

研究背景

OSTα/OSTβ是维持人体胆汁酸稳态的核心转运蛋白,其功能障碍直接与胆汁淤积症、肝纤维化等疾病挂钩。然而,它由几个亚基组成、如何识别并转运胆汁酸,一直是未解之谜,严重阻碍了针对其功能的药物开发。

研究方法

运用HEK293F细胞表达纯化出该蛋白复合物,结合冷冻电镜技术解析了其与底物结合的高分辨率结构,并通过点突变、细胞摄取实验和分子动力学模拟等手段,逐一验证了关键氨基酸残基在底物识别与转运中的具体功能。

研究亮点
01

揭示独特组装形式:首次证实OSTα/β以“二聚体-异二聚体”方式组装,两个OSTα构成核心,两个OSTβ如翅膀般结合在外围,颠覆了传统认知。

02

证实脂修饰参与底物识别:发现OSTα上的棕榈酰化修饰直接参与构成胆汁酸结合口袋,证实蛋白自身的脂链是抓捕底物的关键“抓手”。

03

阐明“翻转”转运机制:揭示OSTα/β不依赖传统“门-开关”构象变化,而是依靠带正电空腔让底物“头尾翻转”完成跨膜运输。

研究结果

1、复合物组装与功能验证

单独表达时,OSTα或OSTβ均被困在胞内无法上膜【图1a】;只有共表达时,两者才能正确定位并摄取牛磺胆酸(TCA)【图1b】。动力学分析显示TCA摄取的Km值为680.7±116.7 μM【图1c】。最终获得的2.64 Å高清结构揭示,该复合物呈紧密的“二聚体-异二聚体”形式【图1d, e】(图1)。

图1:人源OSTα/β的功能与结构

复现思路:表达膜蛋白复合物时,务必用共聚焦显微镜验证共定位;添加亲和标签前,需用转运活性实验确认标签不影响功能。

2、二聚化界面与关键残基

两个OSTα通过TM2-4形成宽广二聚界面,F200、D204等残基发挥关键作用【图2a-c】。D204R突变使TCA摄取降低约60%【图2f】。OSTβ通过ECH1和TM1与OSTα紧密结合【图2a, d, e】。OSTβ上的W36A突变彻底破坏复合物形成,完全丧失转运活性【图2f】(图2)。

图2:人源OSTα/β的二聚体界面

复现思路:鉴定蛋白-蛋白相互作用界面时,可采用丙氨酸扫描结合荧光体积排阻色谱,快速评估突变对复合物稳定性的影响。

3、胆固醇结合与棕榈酰化

结构中发现5个胆固醇位点,CHOL1位于TM5、TM6与ICL2形成的沟槽中【图3a-c】。ICL2上7个半胱氨酸均存在棕榈酰化修饰,直接参与CHOL1位点构成【图3b, c】。C160A/C162A双突变使TCA摄取下降约50%【图3e】。该棕榈酰化基序在物种间高度保守【图3d】(图3)。

图3:OSTα/β中的胆固醇与棕榈酰化位点

复现思路:纯化膜蛋白时,在缓冲液中添加胆固醇类似物CHS可显著提升蛋白稳定性,这是经济有效的优化策略。

4、底物识别与正电空腔

DHEAS结合于CHOL1位点,甾环与疏水残基及棕榈酰链作用,硫酸根与R241、R244形成静电作用【图4a-c】。从结合口袋延伸出一带正电亲水空腔【图4a, d】。空腔中心的K191E突变完全废除活性,K191R突变可完美恢复,证实正电环境是运输关键【图4e】(图4)。

图4:OSTα/β识别胆汁酸的结构基础

复现思路:发现关键残基后,应设计电荷逆转突变(如K→E和K→R)进行验证,若前者失活而后者恢复,则证明电荷性质是该残基的核心功能。

5、“翻转”运输模型

模拟显示底物经历“头朝下→头朝上”的翻转过程【图5a】。状态4中底物头部朝胞内侧与R241作用;状态3中进入空腔与K191结合;状态1和2中转向胞外侧【图5b-f】。整个转运过程中蛋白主体未发生大规模构象变化【图5g-i】(图5)。

图5:胆汁酸跨膜的元动力学模拟与转运模型

复现思路:结构解析后,应联合分子动力学模拟捕捉动态过程,这是从“静态结构”推导“动态机制”的标准范式。

研究总结

首次以原子分辨率解析了OSTα/OSTβ复合物的独特结构,颠覆了对其组装和转运机制的传统认知,提出了“侧向进入、内腔翻转”的全新模型。这项工作不仅加深了对胆汁酸代谢的理解,更为靶向该蛋白治疗肝胆疾病和代谢综合征的药物设计,提供了宝贵的“图纸”。

END
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